Departament Energii USA wspiera rozwój turbin wiatrowych z bezpośrednim napędem

fot. Siemens

Departament Energii USA przeznaczył 7,5 mln dol. na rozwijanie 4 typów turbin wiatrowych z napędem bezpośrednim. Mają one działać w morskich farmach wiatrowych – poinformował magazyn Technology Review.
 

Program Departamentu Energii USA dotyczy 6 projektów turbin wiatrowych dużej mocy – do 10 MW. Dwa z sześciu projektów używają do uzyskania dużych mocy technologii opartych na nadprzewodnictwie, zaś 4 - także technologii napędu bezpośredniego turbin, jako zalecanego przez resort energii.

Obecne rozwiązania turbin wiatrowych nie są ekonomiczne; pozwalają bowiem na wytwarzanie jednostek małej i średniej mocy. Tylko w USA 25 tys. turbin wiatrowych ma moc do 3 MW. Podobnie dzieje się z turbinami instalowanymi w Europie czy Azji. Chińskie farmy wiatrowe liczą nawet do 100 turbin – ze względu na ograniczenia ich mocy.

Przyczyną jest konstrukcja turbin. Zastosowana w nich przekładnia utrzymuje stałe obroty, ale zarazem zmniejsza je do koniecznych do działania generatora 2000 obrotów na minutę. Większa prędkość możliwa jest w jednostkach mniejszej mocy, ale wtedy przekładnia wymaga starannej obsługi technicznej, a jej awaryjność rośnie.

W przypadku jednostek montowanych na lądowych farmach wiatrowych, ewentualne awarie nie są tak wielkim problemem, a reżim obsługi technicznej łatwo zachować – przy samej farmie wiatrowej umieszcza się zespół utrzymania ruchu. Inaczej dzieje się w przypadku coraz popularniejszych morskich farm wiatrowych – rejs do jednej zepsutej turbiny jest nieopłacalny, a z racji warunków pogodowych nie zawsze bywa możliwy. Sam proces obsługi technicznej w warunkach morskich jest trudny i niebezpieczny.

Dlatego też Departament Energii USA prowadzi programy badawcze w kierunku stworzenia takiej turbiny, która miałaby moc wyższą niż dotychczas, dużą odporność na niekorzystne warunki zewnętrzne, małą awaryjność, była praktycznie bezobsługowa, jej waga byłaby niższa, a przy tym koszty nie stałyby się znacząco wyższe od obecnych konstrukcji. Turbiny takie miałyby zastąpić najpierw dotychczas używane jednostki w wiatrowych farmach morskich w ciągu najbliższej dekady.

Programy prowadzone obecnie przez niemiecki koncern Siemens, francuski Alstom i chiński Goldwind Global, zmierzają do zaprojektowania takiej właśnie konstrukcji.

Wał łopat we wszystkich nowoprojektowanych turbinach napędza bezpośrednio generator, obracając się z taką samą prędkością, jak łopaty. Konieczne jest przy tym jednak znaczne powiększenie średnicy wału, aby magnesy generatora mogły się obracać z dostateczną szybkością wokół cewek dla zachowania projektowanej dużej mocy turbiny. Stąd w tych konstrukcjach wyższe jest zużycie metali ziem rzadkich, koniecznych w konstrukcji magnesów, a co za tym idzie – wzrasta ich cena. Rośnie także ich waga – tego typu generator o mocy 8 MW w skrajnych przypadkach może ważyć nawet 200 ton.

Rozwiązaniem jest technologia zastosowana m.in. przez GE w najnowszych generatorach o bezpośrednim napędzie. Zastosowano w niej nadprzewodzące elektromagnesy, takiego samego typu, jak używane w urządzeniach rezonansu magnetycznego. W elektromagnesach tych zastosowano drut ze stopu nadprzewodzącego w niskich temperaturach. Konstrukcja ta jest bardzo wydajna, nie wymaga dużej ilości metali ziem rzadkich. Konieczne jest jednak chłodzenie elektromagnesów do temperatury minus 250 st. C.

Mimo tego obostrzenia, spółka Advanced Magnet Lab z Florydy, zbudowała w technologii zaproponowanej przez GE generator wiatrowy napędu bezpośredniego o mocy 10 MW ważący 70 ton. Firmie udało się zmniejszyć rozmiary cewek, stosując podwójne uzwojenie i zarazem zmieniając materiał, z którego wykonywane są druty cewki. Obecnie jest to spiek z magnezem i proszkiem boru. Spowodowało to także, iż nowa konstrukcja nie musi być chłodzona do tak niskich temperatur, jak w technologii GE.

Mimo tego Mark Senti, prezes i główny konstruktor Advanced Magnet Lab, zauważa, że technologie nadprzewodnictwa i chłodzenia generatorów mają sens dopiero dla jednostek wielkich, powyżej 8 MW mocy, a najlepszy współczynnik mocy do wagi osiągają tak skonstruowane turbiny o mocy 10 MW. W przypadku turbin o niższych mocach „koszty wytwarzania przekraczają znacznie zysk z ulepszenia konstrukcji”.

Według Departamentu Energii USA, pierwsze jednostki nowej konstrukcji zostaną poddane testom za około 2 lata – po opracowaniu warunków technicznych, jakie mają spełniać wyniesione turbiny dużej mocy pracujące w morskich farmach wiatrowych.

Prototypowy wirnik turbiny z wykorzystaniem materiałów nadprzewodzących opracowany przez Advanced Magnet Lab, jeden z 6 projektów finansowanych przez Departament Energii.

PAP